列管式換熱器是化工廠中最常見(jiàn)的換熱設(shè)備，但由于化工生產(chǎn)工藝條件復(fù)雜、介質(zhì)多樣，換熱器常發(fā)生列管泄漏。對(duì)山西晉豐煤化工有限責(zé)任公司前熱交換熱器304換熱管泄漏原因進(jìn)行分析，采用宏觀檢測(cè)、材料成分分析、介質(zhì)檢驗(yàn)和金相檢驗(yàn)等方法，判斷該設(shè)備泄漏是由于介質(zhì)作用下的應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致。通過(guò)原因分析，對(duì)日常設(shè)備管理提出要求，從而提高設(shè)備使用壽命。

一、前言

山西晉豐煤化工有限責(zé)任公司是晉煤集團(tuán)全資煤化工企業(yè)，變換工段運(yùn)用半水煤氣在耐硫低變觸媒的催化作用下，在一定的溫度、壓力條件下與水蒸氣反應(yīng)，使原料氣中的CO轉(zhuǎn)化為易于清除的CO2，同時(shí)獲得合成氨所需的H2。經(jīng)過(guò)各換熱設(shè)備冷卻降溫后，將合格的氣體送往變脫工段。先后共建設(shè)3套全低變工藝變換裝置，其中A2#變換裝置于2014年建成投產(chǎn)。

二、前熱交換器工藝流程

如圖1所示，2#變換爐二段出口的變換氣一部分進(jìn)入前熱交換熱器上段與半水煤氣換熱，另一部分去冷激水加熱器加熱冷激水，分別換熱后的變換氣經(jīng)過(guò)混合后進(jìn)入中溫水解爐，再次對(duì)變換器中未轉(zhuǎn)化的COS進(jìn)行水解轉(zhuǎn)化，以保證后工段對(duì)H2S的進(jìn)一步脫出。水解后的變換氣經(jīng)前熱交下段繼續(xù)換熱后進(jìn)入水加熱器回收低位預(yù)熱，然后到水冷卻器冷卻降溫后再到變換氣分離器除去水霧后送二次脫硫工段。

三、前熱交換器基本參數(shù)

A2#變換前熱交換熱器為固定式管板換熱器，分為上下兩段換熱結(jié)構(gòu)。其中殼程介質(zhì)為變換氣，管程為半水煤氣，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。殼體材料為S30408不銹鋼，列管材質(zhì)0Cr18Ni9，規(guī)格為φ25mm×2mm。

四、泄漏情況及初步檢查情況

2017年6月，前熱交換器泄漏，變換器出口CO超標(biāo)，工藝指標(biāo)無(wú)法控制，工藝置換隔離對(duì)其進(jìn)行檢查維修。經(jīng)檢查，拆檢后發(fā)現(xiàn)，下段換熱結(jié)構(gòu)上端殼程介質(zhì)入口處有前一工序中溫水解塔中的填料（主要成分Al2O3）。因水解爐中水解劑填料垮塌后，被高速的氣流帶至換熱器中。上段換熱結(jié)構(gòu)上端列管也呈現(xiàn)出大面積腐蝕斷裂現(xiàn)象，斷裂區(qū)域表現(xiàn)出明顯的減薄脆斷，管外壁腐蝕嚴(yán)重。中間人孔部位觀察列管無(wú)明顯腐蝕現(xiàn)象，腐蝕區(qū)域均為靠近管板部分，腐蝕區(qū)域鈍化膜破壞。

原因分析

1.設(shè)計(jì)條件分析

250℃的設(shè)計(jì)溫度下，材料許用應(yīng)力[σ]t=122MPa，無(wú)縫鋼管焊接接頭系數(shù)φ=1。對(duì)304換熱管進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算厚度δ=0.22mm。選用換熱管壁厚2mm，其中腐蝕裕量C 1=0，鋼板負(fù)偏差C 2=0。經(jīng)校核換熱管最大允許工作壓力[P w]=21.22MPa，設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力：σt=14.38MPa≤[σ]tφ，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)條件強(qiáng)度要求。

2.宏觀檢查分析

因水解爐中水解劑填料垮塌后，被高速的氣流帶至換熱器中。填料對(duì)入口處的列管沖刷（見(jiàn)圖2），304不銹鋼管受沖擊產(chǎn)生輕微彎曲，同時(shí)因沖擊鈍化膜被破壞，介質(zhì)作用后，腐蝕斷裂最嚴(yán)重，可看出泄漏列管分布情況。

上段換熱結(jié)構(gòu)上端列管大面積腐蝕現(xiàn)象，腐蝕區(qū)域鈍化膜破壞，金屬沿管方向發(fā)生點(diǎn)蝕，裂紋沿周向斷裂，有主干與分支，呈樹(shù)干狀。腐蝕管段顏色灰暗，表面有腐蝕物，如圖3所示，初步判定為應(yīng)力引起的腐蝕。

3.技術(shù)檢測(cè)分析

（1）管材化學(xué)成分分析通過(guò)管板可看出，列管接頭呈現(xiàn)出灰暗色，使用光譜檢測(cè)儀檢測(cè)列管化學(xué)成分，分析結(jié)果見(jiàn)表2，從表中殼看出管材成分符合《GB13296－2007鍋爐、熱交換器用不銹鋼無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中0Cr18Ni9要求，但其中Cr、Ni含量在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)處于較低水平，對(duì)管材抗腐蝕性能有所影響。

（2）介質(zhì)檢測(cè)分析按照設(shè)計(jì)，變換氣主要成分為CO、CO2、H2O及少量H2S，因變換氣前段處理工藝的觸媒接觸Cl-會(huì)造成觸媒中毒現(xiàn)象，因此在最初考慮應(yīng)力腐蝕時(shí)，只考慮了濕H2S應(yīng)力腐蝕。為確定氣體中H2S含量，對(duì)介質(zhì)進(jìn)行采樣分析。經(jīng)采樣分析，殼程介質(zhì)導(dǎo)淋排放的冷凝液Cl－含量為86.4ppm（1ppm=10－6，下同），pH值為8.13。氣體中H2S含量130~140ppm。判斷腐蝕應(yīng)當(dāng)為應(yīng)力環(huán)境下Cl－與H2S作用的結(jié)果。

（3）金相分析經(jīng)取部分管段做金相試樣分析，圖4、圖5分別為為未腐蝕管段與腐蝕管段王水腐蝕后試樣經(jīng)王水溶液浸蝕后，100倍放大觀察結(jié)果。通過(guò)觀察金相組織，未腐蝕管段試樣為單一的奧氏體組織，表面材料固溶處理完善。腐蝕管段組織也是單一的奧氏體組織，裂紋沿穿晶方向進(jìn)行，裂紋存在分支，從其形貌可判斷此裂紋屬應(yīng)力腐蝕裂紋。

六、結(jié)論及措施

因工藝氣體中含有H2S和H2O，存在濕硫化氫應(yīng)力腐蝕的環(huán)境，再加上工藝氣體中氯離子超標(biāo)，在換熱管殘余應(yīng)力狀態(tài)下，上段換熱結(jié)構(gòu)主要腐蝕原因?yàn)闈?/span>H2S、Cl-造成的應(yīng)力腐蝕。下段換熱結(jié)構(gòu)因受到?jīng)_刷撞擊，換熱管鈍化層被破壞，列管彎曲，產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力為主導(dǎo)，加上換熱管拉應(yīng)力，在工藝介質(zhì)作用下，造成換熱器腐蝕斷裂泄漏。

在今后的生產(chǎn)中首先要嚴(yán)格規(guī)范工藝操作，加強(qiáng)設(shè)備巡檢維護(hù)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問(wèn)題并處理；其次要監(jiān)測(cè)工藝氣體指標(biāo)，尤其要定時(shí)檢驗(yàn)會(huì)對(duì)設(shè)備造成不良影響的成分含量，控制成分指標(biāo)，避免因工藝損壞設(shè)備；再者在設(shè)備采購(gòu)時(shí)要檢查各零部件材料成分，盡量避免使用含量在標(biāo)準(zhǔn)下限的鋼材，影響設(shè)備使用壽命；在下次設(shè)計(jì)采購(gòu)中，考慮選擇高溫下抗應(yīng)力腐蝕性能佳的材料。